TW202400524A - 電去離子裝置的運轉方法 - Google Patents
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Abstract
一種電去離子裝置的運轉方法，使如下電去離子裝置，即於陽極與陰極之間藉由離子交換膜而劃分出濃縮室與脫鹽室，濃縮水於該濃縮室中流通，原水以被處理水的形式於脫鹽室中流通，並以生產水的形式被取出的電去離子裝置運轉，並且所述電去離子裝置的運轉方法的特徵在於，向所有的濃縮室在與脫鹽室中的被處理水的通水方向相反的方向上通水。
Description
本發明是有關於一種用於製造去離子水的電去離子裝置（電去離子水製造裝置）的運轉方法。
電去離子裝置中，通常於陰極（cathode）及陽極（anode）間交替地配置陽離子交換膜與陰離子交換膜，藉由該些陽離子交換膜及陰離子交換膜來進行劃分形成，藉此形成脫鹽室及濃縮室，並於該脫鹽室及濃縮室中填充離子交換樹脂。作為陽離子交換膜或陰離子交換膜等離子交換膜，除了於粉末狀的離子交換樹脂中加入聚苯乙烯等黏合劑進行製膜而成的不均質膜、或藉由苯乙烯-二乙烯基苯等的聚合進行製膜而成的均質膜等以外，亦可使用藉由具有各種陰離子交換功能或陽離子交換功能的單體的接枝聚合進行製膜而成者等。
圖2是表示專利文獻1的電去離子裝置的基本結構的圖。如圖所示，電去離子裝置中，於陰極（cathode）及陽極（anode）間交替地配置陽離子交換膜（cation exchange membrane，CEM）與陰離子交換膜（anode exchange membrane，AEM），藉由該些陽離子交換膜及陰離子交換膜來交替地形成脫鹽室及濃縮室，並於各脫鹽室及所述濃縮室中填充離子交換樹脂（省略圖示）。
於如上所述的電去離子裝置中，當使原水通過脫鹽室，並且使濃縮水通過濃縮室，並於陰極及陽極間流通電流時，離子自脫鹽室通過陰離子交換膜及陽離子交換膜而移動至濃縮室，以脫鹽室流出水的形式獲得去離子水（純水）。自濃縮室流出的濃縮水被廢棄或被部分回收再利用。
此種電去離子裝置於各種產業、例如半導體晶片的製造步驟、燃氣或核電廠、石油化學工廠、醫藥品製造步驟等中被用作純水製造裝置。
特別是半導體市場所要求的生產水水質高，亦大多需要處理水比電阻值為15 MΩ·cm以上或硼、二氧化矽去除率高。另外，近年來，除要求處理水水質的高純度化，還要求設定亦考慮了省電或省水的運轉條件。
作為面向半導體製造步驟的電去離子裝置，市售有懿華水處理技術（Evoqua Water Technologies, LLC）公司（558 Clark Road Tewksbury, Massachusetts 01876, USA）製造的IP-VNX55EP-2。如圖3所示，該電去離子裝置VNX55EP-2包括子塊（sub block）1～子塊6。各子塊1～6藉由交替地配置的陽離子交換膜（CEM）與陰離子交換膜（AEM）而形成有多個脫鹽室與濃縮室對。
於圖3所示的運轉方法中，將供水（原水）與濃縮水子自各端口供給至子塊1～子塊3。供水的一部分通過子塊1～子塊3的供水路徑（上側頭部）而供給至子塊4～子塊6的供水路徑（上側頭部）。該供水通過各子塊1～6的各脫鹽室並經由脫鹽水集水路徑（下側頭部）而自處理水取出端口取出。
濃縮水被供給至子塊1～子塊3的頭部（上側頭部），通過子塊1～子塊3的各濃縮室，自子塊1～子塊3的濃縮水集水路徑（下側頭部）導入至子塊4～子塊6的濃縮水頭部（下側頭部），通入子塊4～子塊6的各濃縮室中，並經由子塊4～子塊6的濃縮水的上側頭部而自濃縮水取出端口取出。
於該電去離子裝置VNX55EP-2的運轉方法中，於子塊1～子塊3中，將供水（原水）與濃縮水以平行流的方式通入脫鹽室與濃縮室中，於子塊4～子塊6中，於脫鹽室與濃縮室中使供水與濃縮水的流動為相向流（相反方向上的流動）。即，於圖3中，將供水以下降流的方式通入所有的脫鹽室中。另一方面，關於濃縮水的通水方向，前半部分（子塊1、子塊2、子塊3）設為下降流，後半部分（子塊4、子塊5、子塊6）設為向上流。如上所述，於子塊1～子塊3與子塊4～子塊6中使濃縮水的通水方向相反，藉此使濃縮水的使用水量減半。
然而，基於該通水方法，於子塊1～子塊3中，由於在脫鹽室下部與濃縮室下部離子濃度差變大，因此離子藉由濃度擴散而自濃縮室移動至脫鹽室，處理水水質會降低。
因此，為了獲得純度高的生產水，而需要於電去離子裝置的前段設置降低供水的離子負荷的機構（例如，反滲透膜裝置或膜脫氣裝置等），或於後段進而設置去除離子的機構。其結果，設備的裝置數量變多，從而產生設置空間增加或成本上升、電力消耗上升等問題。
再者，圖3所示的電去離子裝置VNX55EP-2的子塊1、子塊3包括17個脫鹽室與濃縮室對，子塊2包括16個所述對。子塊4、子塊6包括17個所述對，子塊5包括16個所述對。圖3中的「-」表示負極室，「+」表示陽極室。符號10表示電源箱。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特表2020-524593號公報
[發明所欲解決之課題]
如上所述，關於圖3的電去離子裝置的通水方式，於子塊1～子塊3中，供水與濃縮水成為平行流，於子塊4～子塊6中，供水與濃縮水成為相向流，因此於子塊1～子塊3中，於脫鹽室下部與濃縮室下部離子濃度差變大，離子藉由濃度擴散而自濃縮室移動至脫鹽室，處理水水質降低。
本發明的課題在於提供一種可防止離子自濃縮室向脫鹽室的濃度擴散來提高水質的電去離子裝置的運轉方法。
[解決課題之手段]
本發明的一態樣的電去離子裝置的運轉方法是使如下電去離子裝置，即於陽極與陰極之間藉由離子交換膜而交替地形成濃縮室與脫鹽室，將濃縮水通入濃縮室中，被處理水於脫鹽室中流通，並以生產水的形式被取出的電去離子裝置運轉的方法，並且所述電去離子裝置的運轉方法的特徵在於，向所有的濃縮室在與脫鹽室中的被處理水的通水方向相反的方向上通入濃縮水。
於本發明的一態樣中，供水的電導率為0.1 mS/m～2.0 mS/m，特別是0.2 mS/m～2.0 mS/m。
於本發明的一態樣中，供水的無機碳酸濃度以碳計（as C）為50 μg/L～300 μg/L。
於本發明的一態樣中，將脫鹽室的通水空間速度（space velocity，SV）設為70/h～150/h，將濃縮室的通水SV設為5/h～150/h，特別是設為5/h～50/h。
[發明的效果]
基於本發明的電去離子裝置的運轉方法，可抑制離子自濃縮室向脫鹽室的濃度擴散。藉此，可擴大供水水質的容許範圍或削減後段的處理機構。另外，可使設備簡化。
以下，參照附圖對實施方式進行說明。
圖1的電去離子裝置與圖3的電去離子裝置同樣地，於陰極室「-」與陽極室「+」之間包括具有多個脫鹽室與濃縮室對的子塊1、子塊2、子塊3及相同的子塊4、子塊5、子塊6。
自各供水端口11、21向子塊1～子塊3及子塊4～子塊6的供水頭部（上側頭部）供給供水。於各子塊1～6中，將供水以下降流的方式通入所有的脫鹽室中。子塊1～子塊3的處理水（脫鹽水）經由下側頭部而自處理水流出端口12取出。子塊4～子塊6的處理水（脫鹽水）經由下側頭部而自處理水流出端口22取出。
另外，自各濃縮水流入端口13、23向子塊1～子塊3及子塊4～子塊6的濃縮水頭部（下側頭部）供給濃縮水，並將濃縮水以向上流的方式通入所有的濃縮室中。子塊1～子塊3的濃縮水經由上側頭部而自濃縮水流出端口14取出。子塊4～子塊6的濃縮水經由上側頭部而自濃縮水流出端口24取出。
如上所述，於各子塊1～6中，向脫鹽室與濃縮室以相向流的方式通入供水（被處理水）與濃縮水。即，於圖1中，於各子塊1～6中，將供水以下降流的方式通入所有的脫鹽室中，並將濃縮水以向上流的方式通入所有的濃縮室中。再者，通水方向並不限定於上下方向，亦可為水平方向等。圖1的其他結構與圖3相同。
脫鹽室的通水SV較佳為70/h～150/h，特佳為100/h～120/h。濃縮室的通水SV較佳為5/h～150/h，特佳為5/h～50/h，極佳為10/h～25/h。回收率較佳為80%～99%，特佳為90%～95%。通電的電流較佳為0.15 A/（m
3/h）～2.30 A/（m
3/h），特佳為0.7 A/（m
3/h）～1.2 A/（m
3/h）。
供水水質（電導率）較佳為0.1 mS/m～2.0 mS/m，特佳為0.2 mS/m～2.0 mS/m，極佳為0.3 mS/m～1.0 mS/m。供水無機碳酸（inorganic carbon，IC）濃度較佳為以碳計（as C）為50 μg/L～300 μg/L，特佳為以碳計（as C）為100 μg/L～200 μg/L。
於圖1中，子塊左右設置有各3個，合計設置有6個，但並不限定於此，只要是1個～6個左右即可。
一個子塊中的脫鹽室與濃縮室對的數量只要是1個～100個左右即可。
[實施例]
[實施例1、比較例1]
＜實驗條件＞
作為電去離子裝置，使用懿華水處理技術（Evoqua Water Technologies, LLC）公司（558 Clark Road Tewksbury, Massachusetts 01876, USA）製造的IP-VNX55EP-2。關於供水及濃縮水的通水方法，於實施例1中設為如圖1所示，於比較例1中設為圖3所示。其他條件如以下所述。
膜面積：0.06 m
2脫鹽室厚度：9 mm
濃縮室厚度：4 mm
處理水量：10.5 m
3/h
脫鹽室SV：100/h
濃縮水量：0.5 m
3/h
濃縮室SV（實施例1）：22/h
濃縮室SV（比較例1）：44/h
回收率：95%
運轉電流值：10 A
電流密度：0.86 A/（m
3/h）
供水導電率：0.5 mS/m
供水IC濃度：以碳計（as C）為150 μg/L
＜結果/考察＞
將處理水比電阻值的經時變化示於圖4中。自通水開始起至150 hr為止，（0 hr～150 hr）為比較例1，150 h以後為實施例1。
如圖4所示，於比較例1中，無法使處理水比電阻值上升至16 MΩ·cm以上，但基於實施例1，可使處理水比電阻值上升至18 MΩ·cm。
於比較例1的方法中，藉由將通常的一半水量於前半部分設為向下流，於後半部分設為向上流而可加快濃縮室的線流速，因此可防止離子於濃縮室中的蓄積（及由濃度引起的逆擴散），但基於本發明，線流速雖然是先前技術的一半，但仍可提高水質。藉此，確認到：藉由基於向所有的濃縮室在與脫鹽室中的被處理水的通水方向相反的方向上通入濃縮水來防止逆擴散的效果而獲得純度高的水。
使用特定的態樣對本發明進行了詳細說明，但本領域技術人員明確：能夠於不脫離本發明的意圖與範圍的情況下進行各種變更。
本申請案基於2022年3月16日提出申請的日本專利申請案2022-041516，藉由引用而援引其全體內容。
1～6:子塊
10:電源箱
11、21:供水端口
12、22:處理水流出端口
13、23:濃縮水流入端口
14、24:濃縮水流出端口
圖1是表示本發明的電去離子裝置的運轉方法的流程圖。
圖2是公知的電去離子裝置的結構圖。
圖3是表示先前的電去離子裝置的運轉方法的流程圖。
圖4是表示實施例的結果的圖表。
1~6:子塊
10:電源箱
11、21:供水端口
12、22:處理水流出端口
13、23:濃縮水流入端口
14、24:濃縮水流出端口
Claims (4)
- 一種電去離子裝置的運轉方法，使如下電去離子裝置，即於陽極與陰極之間藉由離子交換膜而交替地形成濃縮室與脫鹽室，濃縮水於所述濃縮室中流通，被處理水於脫鹽室中流通，並以生產水的形式被取出的電去離子裝置運轉，並且所述電去離子裝置的運轉方法的特徵在於， 向所有的濃縮室在與脫鹽室中的被處理水的通水方向相反的方向上通入濃縮水。
- 如請求項1所述的電去離子裝置的運轉方法，其中供水的電導率為0.1 mS/m～2.0 mS/m。
- 如請求項1或2所述的電去離子裝置的運轉方法，其中供水的無機碳酸濃度以碳計為50 μg/L～300 μg/L。
- 如請求項1至3中任一項所述的電去離子裝置的運轉方法，其中將脫鹽室的通水空間速度設為70/h～150/h，將濃縮室的通水空間速度設為5/h～150/h。
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